JP3847876B2 - 内燃機関の冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却剤クーラーを有する回路内に配置された、液体の冷却剤で冷却される内燃機関の冷却システムであって、その回路には切り替え弁を介して付加的な装置の少なくとも１つの熱交換機が接続されており、切り替え弁は２つの位置へ切り替え可能な弁部材を有し、弁部材は一方の位置においては冷却剤回路と付加的装置の熱交換機との接続を遮断し、他方の位置においてはそれを解放する、内燃機関の冷却剤システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の冷却システムは主として自動車において使用される。有害物質放出と燃料消費を減少させるために、まず冷間始動後の暖機相を短縮し、さらにそれが過熱の危険のない内燃機関の駆動状態を許可する限りにおいて、エンジン温度とそれに伴って冷却剤温度を上昇させるように努力される。後者はたとえば、ドイツ特許出願ＤＥ−Ａ４２３３９１３から知られているような、いわゆるマップ値サーモスタット（定温装置）によって可能とされる。
【０００３】
通常は冷却循環に付加的装置の熱交換機、特に暖房装置、オイルクーラーまたは過給用クーラーなどの熱交換機が接続さている。しかし、所定の駆動状態において内燃機関の駆動温度を上昇させ、それに伴って冷却剤の温度を上昇させる試みは、これらの付加的装置の場合に問題をもたらすおそれがある。すなわち、付加的装置の熱交換機が熱的に過負荷になる危険がある。さらにたとえば、車両室内暖房においては、室内暖房の１つまたは複数の熱交換機を流れる冷却剤の温度が非常に高くなった場合には、客室内へ流入する空気が、車両搭乗者が不快と感じる高い温度値まで加熱されてしまう問題がある。
【０００４】
また、知られている内燃機関の冷却システム（ドイツ特許出願ＤＥ−Ａ４０３３２６１）においては、車両室内暖房の熱交換機の前に切り替え弁が配置されており、その切り替え弁が一方の切り替え位置において室内暖房の熱交換機への供給を解放し、他方の位置においてはそれを遮断する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭で述べた種類の冷却システムにおいて、簡単な手段で付加的装置のために必要に応じた冷却剤温度制御を可能にすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、弁部材を切り替える切り替え部材として、復帰ばねによって付勢された定温作業部材が設けられており、その作業部材に冷却剤が供給され、かつ電気的な加熱装置が設けられており、かつ定温作業部材が、その定温作業部材へ流れる冷却剤の最大の駆動温度よりも高い切り替え温度に設定された伸長物質を有することによって解決される。
【０００７】
切り替え部材として用いられる定温作業部材を有する切り替え弁は安価に製造されるので、それぞれの付加的装置に専用の切り替え弁を設けることを、経済的に容易に実現することが可能となる。この切り替え弁は、切り替えるために１方向に電流を供給するだけでよい。すなわち電気的な加熱装置をオンまたはオフにするだけでよい。復帰は復帰ばねと冷却剤によって自動的に行われる。というのは定温作業部材の伸長物質は、冷却剤がそれぞれの駆動温度において伸長物質のその切り替え温度以下への冷却をもたらすように設定されているので、それによって作業部材が自動的に切り戻されるからである。
【０００８】
本発明の実施形態においては、切り替え弁は一方の位置において付加的装置の熱交換機への接続を解放し、付加的装置の熱交換機を迂回するバイパスへの接続を遮断し、そして他方の位置においては熱交換機への接続を遮断して、バイパスへの接続を解放する。それによって、切り替え弁の位置とは関係なく付加的装置を通る流れ抵抗は一定に維持されるので、それによって冷却システム内の圧力水準も大きく変化することはない。
【０００９】
本発明の他の実施形態においては、定温作業部材は、加熱装置がオンにされている場合に開放し、加熱装置がオフにされている場合には閉鎖されているシールドによって包囲されている。このようにして、電気的な加熱装置によって切り替え弁を切り替えるためのエネルギー需要が制限されている。というのは電気的な加熱装置から導入される熱はすぐには冷却剤によって奪われないからである。それによってまた、冷却剤温度が比較的低い場合でも、電気的な加熱装置によって切り替え弁を切り替えることが可能になる。切り替え弁は、電流なしで開放しているように、すなわち電気的な加熱装置が通電されない場合に、付加的装置の熱交換機への接続を開放するように、あるいは電流なしで閉鎖されているように、すなわち電気的加熱装置が通電されない場合に付加的装置の熱交換機への接続が遮断されているように、使用することができる。切り替え弁が電流なしで開放しているように使用される場合には、さらに冷却剤温度が非常に高い場合に付加的装置の熱交換機の温度的過負荷が排除されるようにすると効果的である。これは、定温作業部材の伸長物質の切り替え温度を設定することによって行うことができる。その場合に、本発明の他の実施形態においては、共通の弁ハウジング内において切り替え弁と付加的装置の熱交換機との間に、好ましくは切り替え弁と共に、予め定められた閉鎖温度に設定された定温遮断弁が配置されている。この閉鎖温度は、それが付加的装置の熱交換機または付加的装置の他の部材の損傷が発生する恐れのある温度より下にあるように、決定される。
【００１０】
本発明の他の実施形態においては、多数の切り替え弁が弁ブロックにまとめられており、その弁ブロックには冷却剤循環と接続された共通の供給スリーブ、冷却剤循環へ戻る共通の還流スリーブ並びに付加的装置の熱交換機へ通じる独立したスリーブが設けられている。この種の弁ブロックによって、必要な導管の数を効果的に削減することが可能になる。というのは流れ通路が弁ブロック内に統合されるからである。
【００１１】
特に好ましい実施形態においては、弁ブロック内に冷却剤循環の定温制御弁が収容されている。それによってきわめてコンパクトな構造が得られ、その場合に定温制御弁は従来のサーモスタット弁または電気的に加熱可能なマップ値サーモスタットとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の他の特徴と利点が、図面に示す実施例についての以下の説明と従属請求項に記載されている。
図１に示す、液体冷却される内燃機関１０の冷却システムには、いわゆるエンジン入り口制御が設けられている。内燃機関１０からエンジン出口導管１１を介して冷却剤が冷却剤クーラー１２へ流れて、そこから還流導管１３を介してエンジン入り口へ流れ、エンジン入り口には冷却剤ポンプ１４が配置されている。エンジン出口導管１１にバイパス１５が接続されており、このバイパスは定温制御弁１６を介して還流導管１３と接続されている。定温制御弁１６はいわゆるマップ値定温制御装置、すなわち伸長物質によって作業する定温制御弁であると効果的であって、この制御弁には定温制御弁１６の定温作業部材のための電気的加熱装置が設けられており、その加熱装置のオンオフ切り替えによって定温制御弁１６を少なくとも２つの異なる温度水準に切り替えることができ、冷却剤温度とそれに伴ってエンジン温度がその温度水準に制御される。定温制御弁１６はたとえば、ドイツ特許出願ＤＥ−Ａ４２３３９１３に従って形成されている。
【００１３】
エンジン出口にはさらに、予め設定された開放温度に調節されたサーモスタット弁と過圧弁との組合わせである、いわゆる暖機サーモスタット１７が設けられている。暖機定温装置１７は予め設定された温度まで（漏れ量まで）、エンジン出口とエンジン出口導管１１との間の接続を維持するので、内燃機関の暖機相が短縮される。しかし、たとえばエンジン回転数の上昇によって過圧が発生した場合には、暖機サーモスタット１７は圧力に従って開放し、すなわちその場合には過圧弁として作用する。
【００１４】
エンジン出口導管１１から、付加的装置の熱交換機２０，２１へ通じる２本の導管１８，１９が分岐している。熱交換機２０はたとえば車両室内を暖房する暖房装置に属しており、熱交換機２１はオイル冷却装置に属している。熱交換機２０，２１から出た冷却剤は、共通の還流導管２２を介して定温制御弁１６の混合室へ供給される。熱交換機２０，２１の前にそれぞれ電気的に切り替え可能な切り替え弁２３，２４が配置されており、その構造を図２から６を用いて説明する。切り替え弁２３，２４にはそれぞれバイパス導管２５，２６が接続されており、これらはそれぞれ付属の熱交換機２０，２１を迂回して、還流導管へ連通している。
【００１５】
切り替え弁２３，２４はそれぞれ、電流なしで開放または電流なしで閉鎖されているように、配置することができる。電流なしで開放ということは、切り替え弁２３，２４が電流を供給されない状態において付属の熱交換機２０，２１への接続を開放して、それぞれバイパス導管２５，２６への接続を遮断することを意味している。電流なしで閉鎖ということは、切り替え弁２３，２４が電流を供給されない状態においてそれぞれの熱交換機２０，２１への接続を遮断して、それぞれのバイパス導管２５，２６への接続を開放することを意味している。切り替え弁２３，２４によって、熱交換機２０，２１内の温度を予め設定された値に制御すること、かつ／または最大の温度に制限することが可能となる。そのために熱交換機２０，２１またはその出口導管に対して温度センサが設けられており、その温度センサの信号が切り替え弁２３，２４の開閉を定める図示されていない制御装置において処理される。
【００１６】
この種の切り替え弁２３，２４の第１の実施形態が、図２から図４に図示されている。切り替え弁２３，２４はプラスチックから形成された弁ハウジング３０を有し、弁ハウジングには互いに反対側となる２つの排出スリーブ３１，３２が設けられている。この２つの排出スリーブ３１，３２の間に供給スリーブ３３が設けられている。供給スリーブ３３と排出スリーブ３１，３２との間の接続は、弁部材３４によって選択的に解放可能または遮断可能である。プラスチックから形成された弁部材３４はポット状の形状を有する。その開放端縁の領域に閉鎖部材３５として用いられるリングカラーが設けられており、このリングカラーは弁ハウジング３０の弁座３６に対して弁皿状に配置されている。閉鎖部材３５にはシールリング３７が設けられている。閉鎖部材３５と弁座３６は供給スリーブ３３と排出スリーブ３１との間に配置されている。
【００１７】
ポット形状の弁部材３４の閉鎖された端部が弁スライダー３８を形成し、この弁スライダーは弁座として形成された排出スリーブ３２に対応して配置されている。弁部材３４の弁スライダー３８として形成された部分に、リングシール４０が設けられている。弁部材３４の閉鎖された端部からは多数のウェブ３９が突出しており、これらウェブによって弁部材３４が排出スリーブ３２内で案内され、かつ心出しされる。
【００１８】
図２に示す位置においては、供給スリーブ３３と排出スリーブ３１との間の接続が開放されており、排出スリーブ３２への接続は閉鎖されている。それに対して図３に相当する弁部材３４の位置においては、供給スリーブ３３と排出スリーブ３２との間の接続が解放され、排出スリーブ３１への接続は遮断されている。図２と図３に示す位置の間で弁部材３４を切り替えるために、弁ハウジング３０の内部に配置された定温作業部材が用いられる。定温作業部材には、弁ハウジング３０のホルダ４２内に固定的に保持された金属のハウジング４１が設けられている。ハウジング４１は伸長物質、特に混合ワックスを有する。ハウジングは外側に向かってメンブレン４３によって閉鎖されており、メンブレンはハウジング４１内にガイド部分４４によって固定されてており、そのガイド部分内で作業ピストン４５が案内されている。作業ピストン４５の内側は弁部材３４の閉鎖された端部に支持されており、弁部材は作業ピストン４５の押し出される方向とは反対に復帰ばね４６によって付勢されている。定温作業部材のハウジング４１の内部には電気的な抵抗加熱素子４７が配置されており、その電流供給導線４８は栓を通してハウジング４１の内部へ、そしてホルダ４２を通して外部のプラグ部材５０へ案内されており、プラグ部材はソケット４９内に密着して挿入されている。
【００１９】
抵抗加熱素子４７に通電することによって伸長物質は少なくともその切り替え温度まで加熱され、すなわち混合ワックスの集合状態が変化し、それによってその体積が著しく増大する温度まで加熱される。それによって作業ピストン４５がハウジング４２から押し出されるので、弁部材３４が連動されて、他方の切り替え位置（図２）へ移動される。抵抗加熱素子の通電を遮断した後に、定温作業部材のハウジング４１が冷却剤によって冷却されるので、伸長物質は再びその体積を減少させ、弁部材３４は作業ピストン４５と共に復帰ばね４６に作用によって初期位置へ押し戻され、その初期位置においては供給スリーブ３２と排出スリーブ３１との間の接続が再び閉鎖されている（図３）。この復帰をもたらすために、定温作業部材の伸長物質の切り替え温度は、十分な余裕をもって切り替え弁２３，２４の通常駆動の間冷却剤が供給される最大温度の上方にあるように、設定されている。それによって、冷却剤が定温作業部材に関して、弁部材の復帰をもたらすために十分な冷却効果を得ることが保証される。
【００２０】
定温作業部材はシールドによって包囲されており、そのシールドは通電されない状態（図３）において閉鎖され、通電状態（図２）においては開放されている。それによって電流がない状態においては冷却剤の冷却効果は定温作業部材に制限されるので、通電された場合には抵抗加熱素子４７は大体においてハウジング４１の内部の伸長物質のみを加熱すればよく、その伸長物質と接触している冷却剤の加熱はできる限り少なくて済む。それによって迅速な応答が保証される。さらに、冷却剤がまだ冷たい場合でも抵抗加熱素子４７の通電によって切り替え弁２３，２４を切り替えることが可能になる。
【００２１】
本実施例においては、定温作業部材のハウジング４１のシールドは、ポット形状の弁部材３４と、ハウジング４１を包囲するホルダ４２によって形成されている。ポット形状の弁部材３４はハウジング４１の領域においてホルダ４２をを包囲している。弁部材３４とホルダ４２との間並びにハウジング４１に対する間隙も、図２に示す位置から図３に示す位置へ移行する場合に、冷却剤が弁部材の内部空間から流出することができるような大きさである。
【００２２】
図４に示すように、ホルダ４２のハウジング４１を包囲する領域に軸方向の切り欠き５１が形成されている。切り欠き５１の形状を定めることによって、定温作業部材のハウジング４１の回りを流れる冷却剤の効果を決定することができる。
すでに説明したように、図２から図４に示す切り替え弁は、電流のない状態で開放しているように、あるいは電流のない状態で閉鎖されているように、使用することが可能である。電流のない状態で開放しているように配置しようとする場合には、排出スリーブ３２が熱交換機２０または２１に、そして排出スリーブ３１はバイパス２５または２６に接続される。電流のない状態で閉鎖されているように配置しようとする場合には、逆に排出スリーブ３１が負荷に、そして排出スリーブ３２がバイパスに接続される。
【００２３】
切り替え弁２３，２４が装置内で電流なしで開放するように配置される場合には、制御装置および／または電気的な抵抗加熱素子４７が故障した場合、並びに冷却剤の駆動温度を上回った場合には、付加的装置の熱交換機２０，２１に、それらの熱交換機２０，２１に許容される温度を上回る温度を有する冷却剤が供給される危険がある。それを防止するために、定温作業部材のハウジング４１内に配置されている伸長物質を、熱交換機２０，２１に許容される温度に適合された切り替え温度に設定することができる。その温度を上回った場合には、定温作業素子によって、通電なしかつ電気的な抵抗加熱素子４７なしでも弁部材３４が図３に示す位置へ移動され、すなわち排出開口部３２が遮断される。
【００２４】
図５に示す実施例は、その構造においては基本的に図２から図４に示す実施例に相当するので、同一の構成部材には同一の参照符号を使用し、図２から図４についての説明を参照することができる。図５に示す切り替え弁は「電流なし開放」の状態で使用される。すなわち排出スリーブ３１がバイパス導管２５または２６に接続されている。図２から図４に示す実施例との差異は、電流なしで開放している排出スリーブの構造にある。本来の排出スリーブ３２’と弁部材３４との間において、中間片５４が弁ハウジング３０に挿入されている。この中間片５４は、スライダー弁３８として形成された弁部材３４の端部のための弁座５５を形成している。この弁座と５５と排出スリーブ３２’との間に定温遮断弁５６が配置されている。この定温遮断弁５６は定温作業部材を有し、その定温作業部材のハウジング５７のリングカラーが、中間片５４のウェブ５９に保持されたリング５８に対して支持されている。排出スリーブ３２’の方向へ押し出された作業ピストン６０がスライダー弁部材６１を調節し、スライダー弁部材の周面にはシールリング６２が設けられている。このスライダー弁部材６１に対応して排出スリーブ３２’の弁座６４が設けられており、この弁座内でスライダー弁部材６１がウェブ６３によって案内され、かつ心出しされている。復帰ばね６５がスライダー弁部材６１をハウジング５７の方向に、すなわち作業ピストン６０が入り込む方向に付勢している。ハウジング５７は伸長物質を有し、その切り替え温度は、十分な安全性をもって後続の熱交換機２０または２１の損傷が防止されるような温度に設定されている。冷却剤温度がこの切り替え温度を越えない間は、遮断弁５６は開放されたままになる。何等かの理由に基づいて冷却剤温度がこの値を越えて、同時に切り替え弁の制御装置が故障し、かつ／または切り替え弁の電気的な加熱装置が機能を発揮しない場合には、熱交換機２０または２１に損傷が発生する前に、遮断弁５６が閉鎖する。
【００２５】
この実施形態の場合にも弁部材３４と弁スライダー部材６１を含むすべての構成部材はプラスチックから形成されている。ただ、ハウジング４１、ガイド部分４４および作業ピストン４５、並びにハウジング５７と作業ピストン６０は金属からなる。
図６においては、切り替え弁２３，２４，２４’が定温制御弁１６と共に弁ブロックにまとめられているのが、極めて概略的に図示されている。定温制御弁１６と切り替え弁２３，２４，２４’は共通のハウジング６６内に配置されており、ハウジングは壁６７によって２つの室６８，６９に分割されている。室６８には供給接続スリーブ７０が、そして室６９には排出接続スリーブ７１が設けられている。供給される冷却剤は定温制御弁１６と、切り替え弁２３，２４，２４’の供給スリーブ３３へ流れる。一方の排出スリーブ３２または３１はそれぞれ室６９に接続されており、他方の排出スリーブはそれぞれ独立した個別スリーブとして共通のハウジング６６から導出されている。共通のハウジング６６からは個々の切り替え弁２３，２４，２４’のプラグ端子５０も突出している。
【００２６】
図６からさらに明らかなように、ここでは定温制御弁１６はいわゆるエンジン出口制御装置内に配置されているので、還流接続スリーブ７１はエンジン入り口導管へ通じるバイパスを形成している。もちろん、この種の弁ブロックを、定温制御弁１６がいわゆるエンジン入り口制御を実施するように配置することも可能であって、その場合にはそれに応じて他の流れ方向を設けなければならない。
【００２７】
図示の定温制御弁１６の代わりに弁ブロックに、たとえばドイツ特許出願ＤＥ−Ａ４２３３９１３から知られているような、いわゆるマップ値サーモスタットを搭載することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に従って付加的装置の熱交換機を切り替える切り替え弁を備えた冷却システムを概略的に図示するものである。
【図２】図２は、切り替え弁の電流を供給された状態の縦断面図である。
【図３】図３は、図２に示す切り替え弁の電流を供給されない状態の縦断面図である。
【図４】図４は、図３の矢印ＩＶ方向に見た詳細を示す図である。
【図５】図５は、切り替え弁の他の実施形態を示す軸方向断面図である。
【図６】図６は、定温制御弁と多数の切り替え弁とを有する弁ブロックを概略的に説明する断面図である。
【符号の説明】
１０…内燃機関
１２…クーラー
１６…定温制御弁
１７…サーモスタット
２０，２１…熱交換機
２３，２４…切替え弁
３１，３２…排出スリーブ
３３…供給スリーブ
３４…弁部材
４１…ハウジング
４３…メンブレン
４５…作業ピストン
４７…抵抗加熱素子
５４…中間片
６１…スライダー弁部材

Claims (13)

1. 冷却剤クーラーを備えた回路内に配置された、液体の冷却剤で冷却される内燃機関の冷却システムであって、その回路に切り替え弁を介して付加的装置の少なくとも１つの熱交換機が接続されており、切り替え弁が２つの位置へ切り替え可能な弁部材を有し、その弁部材が一方の位置において冷却剤循環と付加的装置の熱交換機との間の接続を遮断し、他方の位置においてはそれを解放する、冷却システムにおいて、 弁部材（３４）を切り替える切り替え部材として、復帰ばね（４６）によって付勢された定温作業部材（４１，４５）が設けられており、その作業部材に冷却剤が供給され、かつ電気的な加熱装置（４７）が設けられており、
   定温作業部材が伸長物質を有し、その伸長物質が定温作業部材（４１，４５）へ流れる冷却剤の最大の駆動温度よりも高い切り替え温度に設定されていることを特徴とする冷却システム。
2. 切り替え弁（２３，２４）が一方の位置において付加的装置の熱交換機（２０，２１）への接続を解放し、かつ付加的装置の熱交換機を迂回するバイパス（２５，２６）への接続を遮断し、他方の位置においては熱交換機（２０，２１）への接続を遮断し、バイパス（２５，２６）への接続を解放することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 定温作業部材（４１，４５）が、加熱装置（４７）がオンにされている場合に開放し、加熱装置がオフにされている場合に閉鎖しているシールド（４２，３４）によって包囲されていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却システム。
4. 定温作業部材に、伸長物質と電気的な加熱装置（４７）を備えた、感熱部分として用いられるハウジング（４１）が設けられており、そのハウジングがホルダ（４２）によって固定的に保持されており、かつそのハウジングから弁部材（３４）を連動させる作業ピストン（４５）が押し出されるように移動可能であって、
   弁部材（３４）が作業部材（４１，４５）をポット形状に包囲し、かつホルダ（４２）と共にシールドを形成することを特徴とする請求項３に記載の冷却システム。
5. ホルダ（４２）が定温作業部材のハウジング（４１）を包囲し、かつそれ自体はポット形状の弁部材（３４）によって包囲されていることを特徴とする請求項３または４に記載の冷却システム。
6. ホルダ（４２）の、定温部材のハウジング（４１）を包囲する領域に、軸方向の切り欠き（５１）が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の冷却システム。
7. 弁ハウジング（３０）が設けられており、その弁ハウジングの互いに反対側となる排出スリーブ（３１，３２）の間に供給スリーブ（３３）が設けられており、
   弁部材（３４）に２つの閉鎖部材（３５，３８）が設けられており、そのうちのそれぞれ一方が弁座（３６）に、他方が排出スリーブ（３１，３２）に対応して設けられていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の冷却システム。
8. ポット形状の弁部材（３４）の開放端縁の領域に、閉鎖部材として用いられるリングカラー（３５）が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の冷却システム。
9. 弁部材（３４）の閉鎖された端縁の領域が、付属の排出スリーブ（３２）用の弁スライダー（３８）として形成されていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の冷却システム。
10. 弁部材（３４）の閉鎖された端部から多数の軸方向のウェブ（３９）が突出しており、それらウェブによって弁部材（３４）が付属の弁座（３２，３５）内で心出しされていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の冷却システム。
11. 共通の弁ハウジング（３０）内において切り替え弁（２３，２４）と付加的装置の熱交換機（２０，２１）との間に、好ましくは切り替え弁と共に、予め定められた閉鎖温度に設定された定温遮断弁（５６）が配置されていることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の冷却システム。
12. 多数の切り替え弁（２３，２４，２４’）が弁ブロックにまとめられており、その弁ブロックに冷却剤回路と接続された共通の供給スリーブ（７０）、冷却回路へ戻る共通の還流スリーブ（７１）並びに付加的装置の熱交換機（２０，２１）へ通じる独立したスリーブが設けられていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の冷却システム。
13. 弁ブロック内に冷却剤回路の定温制御弁（１６）が収容されていることを特徴とする請求項１２に記載の冷却システム。

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